飛機(jī)結(jié)構(gòu)的防腐蝕設(shè)計(jì)與研究

張秋雁 任鋒 周航

摘 要：國際運(yùn)輸協(xié)會指出，軍用飛機(jī)失效的兩大主要原因?yàn)楦g與疲勞，而疲勞大多是在環(huán)境侵蝕下產(chǎn)生，并非絕對的疲勞。由此可見，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的防腐蝕設(shè)計(jì)顯得十分必要。對此，本文將采用案例分析的方式，對軍用飛機(jī)的腐蝕情況進(jìn)行分析，并從多角度著手挖掘腐蝕問題產(chǎn)生的原因，最后針對飛機(jī)結(jié)構(gòu)提出多樣化的防腐設(shè)計(jì)措施，力求通過防治結(jié)合的方式，使飛機(jī)腐蝕問題從根本上得以解決。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)結(jié)構(gòu);防腐蝕;防腐材料;涂層選擇

中圖分類號：V267 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）03-0055-02

近年來，飛機(jī)因結(jié)構(gòu)腐蝕而發(fā)生事故概率不斷增加，為國家和企業(yè)帶來了重大經(jīng)濟(jì)損失。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，我國應(yīng)加強(qiáng)對飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕預(yù)防方面的重視程度，針對結(jié)構(gòu)腐蝕情況進(jìn)行深入研究，做好腐蝕修理與防護(hù)工作，提高飛機(jī)的飛行安全性，延長飛機(jī)的使用壽命，尤其對于軍用飛機(jī)來說，對其飛行安全進(jìn)行保障能夠使我國空軍、海軍的戰(zhàn)斗力量得到顯著提升。

1 發(fā)現(xiàn)問題

在對軍用飛機(jī)進(jìn)行修理時發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中存在較為嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，主要體現(xiàn)在機(jī)翼主輪艙的第二大梁板、平尾壁板等連接位置。某型戰(zhàn)斗機(jī)的垂尾與42框連接位置存在嚴(yán)重腐蝕;某轟炸機(jī)的中央翼下壁板凹槽與大梁下部連接部分出現(xiàn)較大的腐蝕情況;某殲擊機(jī)平尾配重位置的鋁合金蒙皮出現(xiàn)腐蝕;某直升機(jī)的機(jī)體下方也存在一定腐蝕。從軍用飛機(jī)受腐蝕部位可以看出，這些都是機(jī)體主要的承力部位，腐蝕問題的存在使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大大降低，對飛機(jī)的使用壽命與飛行安全造成嚴(yán)重威脅，并且這些腐蝕部位大多為兩部件的連接位置，較為隱蔽，不易被檢查出來，如若置之不理很容易引發(fā)大型事故，后患無窮。在對腐蝕位置進(jìn)行修理時，需要投入大量人力、物力與資金，使修理成本極大增加。更重要的是，對于軍用飛機(jī)來說，腐蝕問題的存在在很大程度上威脅飛機(jī)安全，降低了戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能，需要引起高度重視。

2 原因分析

腐蝕情況的發(fā)生是由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中金屬結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境相接觸，導(dǎo)致金屬被消耗。本文將對飛機(jī)發(fā)生腐蝕情況的主要因素進(jìn)行分析和研究，具體如下。

2.1 設(shè)計(jì)與制造缺陷

（1）在設(shè)計(jì)方面，以往在軍用飛機(jī)的設(shè)計(jì)中，主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足戰(zhàn)術(shù)性能，忽視了對飛機(jī)結(jié)構(gòu)、使用、維護(hù)等方面的要求，尤其是結(jié)構(gòu)防腐方面，沒有在設(shè)計(jì)階段提出嚴(yán)格要求，導(dǎo)致大部分飛機(jī)雖然在戰(zhàn)術(shù)性能上較強(qiáng)，但抗腐蝕能力較差，在飛行過程中不可避免的出現(xiàn)不同程度的腐蝕問題。常見的腐蝕現(xiàn)象包括：飛機(jī)防水、排水設(shè)計(jì)，致使飛機(jī)中容易積累大量水分，長此以往，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行腐蝕。據(jù)調(diào)查，相當(dāng)多的飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕都與機(jī)體內(nèi)殘留的水分有關(guān);在選材方面，以往軍用飛機(jī)主要采用質(zhì)量較輕、強(qiáng)度較高的材料作為主承力件，而超硬材料屬于鎂、鋅、鋁、銅系列合金，與硬鋁存在的明顯區(qū)別在于將強(qiáng)化鋅融入其中，優(yōu)勢在于能夠使材料的強(qiáng)度得到進(jìn)一步提升，不足是降低了抗腐蝕性，并且超硬鋁在使用中容易使應(yīng)力集中，極易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕情況。（2）在制造方面，腐蝕情況的發(fā)生與使用的制造工藝相關(guān)，主要體現(xiàn)在材料熱表處理與噴漆方面，如若表層未處理得當(dāng)，則鍍層的抗破壞力隨之降低;如若噴漆環(huán)境不符合要求，在溫度、空氣質(zhì)量、噴漆質(zhì)量上不到位，則油漆層將很容易遭到破壞，這時飛機(jī)結(jié)構(gòu)金屬將會直接暴露在大氣環(huán)境中，很快便會遭到腐蝕，這一點(diǎn)需要制造人員提高重視度[1]。

2.2 電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致

當(dāng)前軍用飛機(jī)腐蝕問題產(chǎn)生的主要因素之一便是電化學(xué)反應(yīng)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，不可避免的需要兩種異類金屬相互連接，在連接過程中，一旦金屬表層被破壞，金屬接觸面將會殘留一定水分或者雜物，由于金屬的電位不一，二者之間很容易形成微電池，在氧化還原作用下出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕。例如，在上文中所提到的某殲擊機(jī)平尾配重位置的鋁合金蒙皮出現(xiàn)的腐蝕情況，便是一種較為常見的腐蝕現(xiàn)象，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因在于，飛機(jī)平尾處存在下反角，在翼尖處很容易存在積水，加上配重物質(zhì)為鋼制件，蒙皮屬于鋁合金，因此在配重與蒙皮相接觸的位置形成一個微電池，導(dǎo)致蒙皮處出現(xiàn)了電化學(xué)腐蝕。

2.3 微生物腐蝕

對于軍用飛機(jī)來說，微生物腐蝕的后果較為嚴(yán)重，尤其是在整體油箱位置，由于微生物的存在可能威脅到油箱結(jié)構(gòu)、燃油系統(tǒng)的安全。另外，微生物的排泄物與油箱表面相接觸后，還會對外殼產(chǎn)生一定的腐蝕，時間一長，油箱甚至?xí)霈F(xiàn)漏油、滲油等情況。同時，微生物的存在還會污染油體環(huán)境，導(dǎo)致燃油系統(tǒng)被堵塞、污染等，對飛機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成較大威脅。當(dāng)飛機(jī)處于低空飛行狀態(tài)時，會與空中許多小飛蟲接觸，這些小飛蟲被飛機(jī)撞擊后部分會粘在飛機(jī)表面，其體液將加速飛機(jī)迎風(fēng)面的腐蝕速度，導(dǎo)致機(jī)體中的天線罩等遭到腐蝕[2]。

2.4 濕熱氣候所致

對于一些適用于海島的軍用飛機(jī)來說，在機(jī)翼、平尾下方等位置遭到腐蝕的概率更大，尤其對于一些南方海島來說，島內(nèi)地面的溫度較高、濕度較大、空氣中含有大濃度的鹽，飛機(jī)長期處于此種環(huán)境下，對其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕也不可避免。當(dāng)大氣環(huán)境中的濕度超過65%時，機(jī)體表面將附著0.001μm厚的水膜，且濕度與水膜的厚度成正比。這些水膜在與周圍濕熱空氣相接觸后，由于空氣中含有大量氯分子，二者結(jié)合容易產(chǎn)生有害介質(zhì)附著在機(jī)體上，進(jìn)而對飛機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕。例如，雷達(dá)罩表面的腐蝕、殲擊機(jī)平尾與機(jī)翼腐蝕大部分是受該因素的影響。

2.5 維護(hù)與操作不當(dāng)

在軍用飛機(jī)使用過程中，如若相關(guān)人員操作不當(dāng)或者維護(hù)不及時，也很容易發(fā)生結(jié)構(gòu)腐蝕情況，例如，相關(guān)人員鞋底帶泥的情況下上機(jī)，容易導(dǎo)致蒙皮表面被劃傷;在下雨后飛機(jī)沒有及時打開蒙布進(jìn)行晾曬，導(dǎo)致積水長時間的滯留在機(jī)體當(dāng)中造成腐蝕;平尾與機(jī)翼表面沒有及時清理、擦干等，都會在一定程度上加大機(jī)體腐蝕力度，需要相關(guān)人員加大重視。

2.6 應(yīng)力腐蝕與電偶腐蝕

2.6.1 應(yīng)力腐蝕

據(jù)調(diào)查，因殘余應(yīng)力導(dǎo)致腐蝕斷裂故障占應(yīng)力腐蝕總數(shù)的40%。應(yīng)力腐蝕是指在特定環(huán)境下，即受到較大的拉伸應(yīng)力、特定的合金成分的情況下，才能夠出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕斷裂，因此此種腐蝕形式與環(huán)境、力學(xué)、冶金因素相關(guān)。在環(huán)境因素方面，腐蝕介質(zhì)與應(yīng)力腐蝕息息相關(guān)，在滿足特定合金與環(huán)境組合下才能夠出現(xiàn)腐蝕斷裂情況。例如，黃酮在與少量氨物質(zhì)接觸后便會出現(xiàn)腐蝕斷裂情況;碳鋼與OH-溶液相接觸;不銹鋼與C1-介質(zhì)相接觸，都可能出現(xiàn)腐蝕問題。在某轟炸機(jī)尾部出現(xiàn)裂紋后，沒有及時采用鋁材料進(jìn)行修理而是采用了不銹鋼，從而導(dǎo)致了空難的發(fā)生。

2.6.2 電偶腐蝕

導(dǎo)致電偶腐蝕的主要因素包括三個方面，一是幾何因素，陰極與陽極相對面積影響著電偶的速率，如若陰極面積增加，在還原反應(yīng)下導(dǎo)致腐蝕電流增大，導(dǎo)致陽極被腐蝕的速率加快;二是環(huán)境因素，如溫度、溶液PH值、介質(zhì)組成等等;三是材料自身因素，材料自身的合金類型、材質(zhì)狀態(tài)、物理化學(xué)性能等多個方面都可能會引發(fā)電偶腐蝕[3]。

3 軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì)分析

3.1 防腐材料的選擇

隨著近代軍用飛機(jī)值勤的領(lǐng)域與范圍逐漸擴(kuò)張，飛機(jī)的類型也越來越多，如戰(zhàn)斗機(jī)、水上飛機(jī)、艦載飛機(jī)等等，因此對飛機(jī)結(jié)構(gòu)所用材料的抗腐蝕力方面也提出了更高的要求，要求軍用飛機(jī)在設(shè)計(jì)上除了注重戰(zhàn)術(shù)性能外，還給予抗腐蝕能力高度重視，首先在材料的選擇上便要盡量選擇防腐材料，其中鋼、鋁、銅、鎂等材料在近代軍用飛機(jī)設(shè)計(jì)上較為常用，在不同侵蝕介質(zhì)下不同材料的抗腐蝕性能不盡相同，因此在材料的選擇上應(yīng)遵循以下原則：

（1）打破以強(qiáng)度為先的選擇標(biāo)準(zhǔn)，采用綜合選擇，考慮到抗腐蝕性、抗斷裂性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等多種因素，例如鋁合金LC9的強(qiáng)度較高，寧可將其強(qiáng)度降低10-20%，也要使抗腐蝕性達(dá)到最佳狀態(tài)。當(dāng)然，如若有強(qiáng)度與抗腐蝕性均滿足要求的材料則更好;（2）盡量選擇國內(nèi)外軍用飛機(jī)中較為成熟的材料，不要選擇容易出現(xiàn)故障的低質(zhì)材料，以及容易出現(xiàn)腐蝕問題的材料;（3）選擇具有較強(qiáng)抗腐蝕性、強(qiáng)度較高的鈦合金，盡量減少或者避免使用鎂合金，因?yàn)橄啾葋砜矗V合金的抗腐蝕性較弱[4]。

3.2 防護(hù)涂層的選擇

現(xiàn)階段，大部分軍用飛機(jī)中的金屬零件均采用鍍層、覆蓋層、涂層的方式，這樣做不但能夠提高金屬零件的抗腐蝕性，還能夠達(dá)到隔熱、減摩、導(dǎo)電等目的。防護(hù)涂層的選擇是飛機(jī)防腐設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵內(nèi)容，尤其對于軍用飛機(jī)來說，常常在惡劣的條件下工作，在防護(hù)涂層的選擇上要更加嚴(yán)格。在選擇中應(yīng)了解各類防護(hù)鍍層、涂層的性能，使用具有較強(qiáng)耐蝕性的防護(hù)體系;在設(shè)計(jì)時應(yīng)遵循設(shè)計(jì)要求、適用范圍與使用依據(jù)，并且注意涂層在底層、中間層、上層與零件之間的相容性[5]。

3.3 加工過程控制

防腐蝕設(shè)計(jì)應(yīng)采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求合理安排加工過程，確保材料不會受到加工影響而降低自身的抗腐蝕性，使加工結(jié)果能夠符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的是，加工中使用的工藝、材料等均應(yīng)是無害級別，不會對飛機(jī)結(jié)構(gòu)與安全帶來任何隱患。腐蝕情況的發(fā)生通常從表面開始，一旦飛機(jī)表面出現(xiàn)劃傷、加工流線露頭、滲氫等都可能降低抗腐蝕性能，進(jìn)而加速腐蝕開裂的速度，使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度被大大削弱[6]。因此，在航空結(jié)構(gòu)承力件加工過程中，務(wù)必要確保加工質(zhì)量，采用精細(xì)化加工生產(chǎn)的原則，針對不同構(gòu)件的功能采取針對性防腐措施，例如，飛機(jī)起落架容易受到氫脆、應(yīng)力腐蝕等影響，縮短使用壽命，對此，可以采取以下措施進(jìn)行控制：

（1）加強(qiáng)材料質(zhì)量控制，提高材料對氫脆、應(yīng)力腐蝕等問題的抵抗性;（2）對進(jìn)刀量進(jìn)行控制，減少殘余拉伸應(yīng)力;（3）不放過任何一個細(xì)節(jié)，對各個零件進(jìn)行精細(xì)化處理，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中情況;對其表面進(jìn)行噴丸處理，增加壓應(yīng)力;（4）使用具有較高抗腐蝕性的聚氨酯漆體系，并根據(jù)相關(guān)要求對結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行控制，采用科學(xué)合理的加工工藝。

4 結(jié)語

綜上所述，飛機(jī)結(jié)構(gòu)故障的主要形式便是結(jié)構(gòu)腐蝕，而結(jié)構(gòu)腐蝕在飛機(jī)維修的總數(shù)中占80%以上，因此需要給予此類問題高度重視。對于軍用飛機(jī)來說，與其他類型飛機(jī)相比其工作環(huán)境較為惡劣，受腐蝕的風(fēng)險與概率更大，因此應(yīng)堅(jiān)持預(yù)防為主、防治結(jié)合的原則開展防腐工作，針對腐蝕情況挖掘深層誘發(fā)原因，科學(xué)合理的選擇防腐材料、涂層與工藝，確保加工過程的精細(xì)高效，針對腐蝕問題早發(fā)現(xiàn)、早報(bào)告、早處理，使飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕問題被扼殺在搖籃當(dāng)中。

參考文獻(xiàn)

[1] 程凱.面向CPCP要求的飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕控制方法研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2018（3）：19-22.

[2] 魏士禮，趙艷秦.軍用飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼下壁板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2016（12）：26-27.

[3] 劉海濤，田秀云.MD-82型飛機(jī)貨艙結(jié)構(gòu)縫隙腐蝕原因分析及防腐蝕改進(jìn)措施[J].腐蝕與防護(hù)，2014，25（1）：32-35.

[4] 孫健宇.民用客機(jī)艙內(nèi)地板的防腐蝕設(shè)計(jì)[J].中國科技縱橫，2014（11）：109-109.

[5] Effect of chloride on the atmospheric corrosion of simulated artifact iron in NO3-beraring pollutant environment. X.Cao，C.C.Xu. Acta Metall.Sin.（Engl.Lett.）.2006.

[6] Choice and measurement of crucial aircraft coatings systems properties. Bierwagen G P，Tallman D E. Progress in Organic Coatings，2001.